我国水稻的肥料贡献率时空变化及影响因素

李亚贞，韩天富，曲潇琳，马常宝，都江雪，柳开楼，黄晶,4，刘淑军,4，刘立生,4，申哲，张会民 ,4✉

1江西省红壤及种质资源研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西进贤 331717；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；4中国农业科学院衡阳红壤实验站/湖南祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，湖南祁阳 426182

0 引言

【研究意义】水稻是重要的粮食作物，世界一半以上的人口、中国60%以上的人口以稻米为主食[1-2]。中国水稻的种植面积每年稳定在3 000万hm2左右，约占全国粮食作物总播种面积的25.76%[3]。为了满足国内人口增长的需求，在目前的生产水平上，在保持和提高土壤生产力、避免环境退化和自然生态系统破坏的同时，到 2030年我国大约需要增加 20%的水稻产量[2]。肥料施用在提高作物产量和改善土壤质量方面发挥着重要作用[4]。然而，大多数农民习惯依靠增加化肥的施用量来提高作物产量，导致资源利用效率降低，造成环境污染等问题[5-6]，这主要归因于不合理的养分管理措施，尤其是忽略了肥料贡献率对作物生长影响。因此，探明我国水稻肥料贡献率的年际变化及其影响因子，对水稻可持续生产具有重要意义。【前人研究进展】化肥作为我国肥料的主要来源，为粮食增产发挥了重要的作用[7]。在全球尺度上，联合国粮农组织数据表明，化肥对粮食产量的贡献率为40%—60%[8]。但是，在我国，受研究年限和数据集及模型方法的影响，不同研究者的结果差异较大，曾希柏等[8]研究表明，20世纪90年代我国粮食作物的肥料贡献为5—10 kg·kg-1。1978—2006年间，化肥对我国粮食产量的贡献率高达56.81%[9]；而房丽萍等[10]的研究表明，1978—2010年间，化肥投入对我国粮食产量增长的贡献率为20.79%。1995—2015年全国30个省份的数据显示，虽然化肥对粮食产量的变动都呈现正向影响，但两个模型估计的化肥对粮食产量变化的贡献率均低于 2%[11]，这说明，在目前中国粮食产量增加过程中化肥的作用已经很低，继续增加化肥施用量并不会大幅增加产量。在不同区域间，粮食产量的肥料贡献率也存在明显不同。鲁彩艳等[12]研究发现，1978—2002年间，化肥对黑龙江省粮食产量的贡献率为 9.3 kg·kg-1。孙彦铭等[13]研究表明，2005—2013年间，施肥对河北省夏玉米产量的平均贡献率为39.3%。王伟妮等[14]研究指出，在 2006—2008年间，肥料对湖北省水稻产量的贡献率为 29.6%，明显低于油菜（56.2%），这说明，当前农民习惯施肥条件下，化肥对水稻的贡献率还有较大的提升空间。【本研究切入点】我国水稻种植区范围广，由于人为管理措施、种植制度、气候和土壤类型等差异较大，进而导致不同地区水稻的肥料贡献率差别较大。目前大多数的研究由于研究对象（以粮食作物为主）[8-12]、方法手段（模型模拟）[9-11]和点位单一（某个省）[12-14]的影响，导致相关研究不能准确评估全国尺度的水稻肥料贡献率；同时，由于研究时间跨度不一，全国水稻肥料贡献率的时间演变规律仍不清晰[8-12]。自20世纪80年代以来，我国化肥用量持续高速增长，但作物的产量却始终增加缓慢[7]。因此，明确水稻的肥料贡献率对于指导不同区域的化肥减施增效行动和合理配置肥料资源具有重要意义。【拟解决的关键问题】本研究基于近30年（1988—2017年）农业农村部耕地质量监测的田间试验数据，选取不施肥和常规施肥处理，分别从稻作模式、不同区域、气候条件和土壤质地等条件下，分析水稻肥料贡献率的演变特征，进而探究肥料种类、气候和土壤肥力指标等因素对水稻肥料贡献率的影响程度，以期探明影响水稻肥料贡献率的关键因子，从而有效指导我国稻作区的持续丰产。

1 材料与方法

1.1 试验设计

分析数据来源于近 30年（1988—2017年）农业农村部耕地土壤质量监测田间试验数据。研究地点位于中国21个水稻生产省份的338个监测点，主要分布在以下6个地区：东北（黑龙江、吉林、辽宁）、华北（河南、陕西、山东）、长江下游（安徽、江苏、上海和浙江）、长江中游（湖北、湖南、江西）、西南（云南、贵州、重庆、四川）和华南（福建、广东、广西、海南）。各监测点位是我国农业部门综合考虑不同稻作区的实际情况（包括土壤肥力、施肥、灌溉、种植类型、产量水平等）进行布置，且各点位的实施均由当地农技推广部门进行具体管理。同时，由于耕地属性、生产方式的变化，各区域的耕地监测也在不断进行适当的动态调整，包括及时删除一些管理不当的点位，新增一些有代表性的点位。但是，各区域的监测点位数量总体保持稳定，在全国尺度上具有很好的代表性和权威性。

每个试验点的耕作制度、种植制度、土壤类型、分布面积、生产能力、灌排方式、地理位置、管理措施等都是当地水稻生产的常规模式。每个试验点均设置不施肥与施肥处理，其中施肥处理的肥料用量是综合考虑当地土壤肥力及当地农民习惯下确定的。每个监测点的面积不低于334 m2，为防止水肥横向转移，小区间用水泥板或者其他材料做挡板。1988—2017年间，全国各地的水稻品种不断更新换代（从高产到高产优质转变），施肥习惯（从大量施肥到测土配方施肥和化肥减施增效转变）、种植技术（从人工种植到轻简化、机械化种植转变）和病虫害防控技术（从化学防治到生物防治和化学防治相结合）均在不断优化，而各试验点位的水稻品种和栽培技术等也随当地的生产方式进行调整。因此，各试验点位的施肥处理可以较好地反映当地的水稻生产水平。

1.2 数据收集和分析

水稻成熟期，采用去边行后实打实收测定产量。1988—2017年间，水稻品种和栽培技术在水稻产量提升方面发挥了至关重要的作用。而在本研究中，相同的试验点位中不施肥和施肥处理的水稻品种和栽培技术均相同，因此，本研究计算了品种和栽培技术一致条件下的水稻肥料贡献率，计算方法如下[15]：

肥料贡献率（%）=（施肥区产量-不施肥区产量）/施肥区产量×100。

每年最后一季作物收获后，每个试验点采集耕层（0—20 cm）土壤进行理化性质分析测试，测定指标为pH、有机质、有效磷、速效钾，按照全国农业技术推广服务中心土壤分析技术规范测定各项指标[16]。

监测点收集并记载6个地区1988—2017年每年的气象资料和耕层（0—20 cm）土壤理化性质等指标数据。气候资料数据包括年均降水（MAP）、年均气温（MAT）、无霜期（FFP）和日照时数（SH）。年平均降水量变化范围为476.4—2 400.0 mm，平均值为1 347.1 mm；年平均气温变化范围为2.4—25.4 ℃，平均值为6.8℃；年无霜期变化范围107.5—272.0 d；年日照时数的变化范围为957.9—2 780.5 h。

考虑监测时间的跨度，将所有数据分为：1988—1992、1993—1997、1998—2002、2003—2007、2008—2012和2013—2017年等6个时间段，分别代表施肥后5、10、15、20、25、30 a。本文的不同稻作模式分类为单季稻、双季稻和水稻-其他作物轮作（油菜、小麦、蔬菜、绿肥等）。不同气候划分为热带季风气候、亚热带季风气候和温带季风气候，不同土壤质地划分为黏土、壤土和砂土。

数据用Excel 2016整理，运用SPSS 17.0进行相关性分析及显著性检验。采用Origin 8.5软件制作箱式图展示肥料贡献率变化，由于部分年份数据缺失和偏少的原因，砂土2013—2017年数据和华北最近两个时间段的数据未进行显示。水稻肥料贡献率与施肥时间的关系用双直线方程进行拟合。

2 结果

2.1 不同稻作模式下水稻肥料贡献率年际变化

1988—2017年间，水稻肥料贡献率均呈现出随着施肥年限的增加先逐渐上升再趋于平稳的趋势（图1）。在全国尺度上，水稻肥料贡献率为 41.20%—51.89%。在不同稻作模式间，单季稻、双季稻和水稻-其他作物轮作的水稻肥料贡献率分别为 38.58%—55.49%、41.96%—51.05%和 42.34%—53.43%，其中单季稻30年的年均水稻肥料贡献率最高（49.52%），分别比双季稻和水稻-其他作物轮作提高了 4.25%和2.76%。

图1 不同稻作模式下水稻肥料贡献率年际变化Fig.1 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different cropping systems

拟合方程（表 1）显示，全国的水稻肥料贡献率在施肥19.6 a达到稳定（51.55%），单季稻、双季稻和水稻-其他作物轮作的水稻肥料贡献率则分别在21.9、16.5和28.4 a时达到稳定（54.52%、47.97%和53.33%）。而在达到稳定之前，线性方程的斜率显示，全国的水稻肥料贡献率在试验19.6 a之前的年均增幅为0.69%。不同稻作模式的年均增幅则存在较大差异，其中单季稻的水稻肥料贡献率年均增幅（1.05%）显著高于双季稻（0.58%）和水稻-其他作物轮作（0.55%）。

表 1 不同稻作模式下水稻肥料贡献率（y，%）与施肥时间（x，a）的相关关系Table 1 The relationship between fertilizer contribution rate for rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different cropping systems

2.2 不同区域水稻肥料贡献率年际变化

图2显示，不同区域的水稻肥料贡献率差异较小，近30年来，东北、华北、西南、长江中游、长江下游和华南地区的水稻肥料贡献率分别为40.88%—51.06%、37.67%—51.89%、44.01%—64.99%、39.16%—50.76%、41.66%—45.69%和 41.51%—53.88%，年均水稻肥料贡献率表现为：西南（55.82%）＞长江中游（46.73%）＞华北（46.27%）＞东北（45.90%）＞华南（45.83%）＞长江下游（44.25%）。

图2 不同区域水稻的肥料贡献率年际变化Fig.2 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different regions

不同区域的水稻肥料贡献率均呈现出随着施肥年限的增加先逐渐增加后稳定的趋势（表 2）。东北、华北、西南、长江中游、长江下游和华南地区的水稻肥料贡献率达到稳定的施肥年限分别为 15.2、18.5、19.0、15.3、15.3和 14.5 a，对应的水稻肥料贡献率分别为42.06%、51.46%、57.68%、47.57%、44.14%和51.85%。通过线性方程的斜率发现，在达到稳定之前，东北、华北、西南地区的水稻肥料贡献率年均增幅分别为1.02%、1.42%和1.33%，明显高于长江中游、长江下游和华南的年均增幅（分别为0.78%、0.24%和0.55%）。

表2 不同区域水稻肥料贡献率（y, %）与施肥时间（x, a）的相关关系Table 2 The relationship between fertilizer contribution rate for rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different regions

2.3 不同气候条件下水稻的肥料贡献率年际变化

不同气候条件下水稻的肥料贡献率差异较大（图3），近 30年来，热带季风区的水稻肥料贡献率为13.74%—57.74%，年均为34.57%，而温带和亚热带季风区的水稻肥料贡献率分别为 17.97%—73.50%和20.20%—81.41%，年均分别为45.90%和49.23%。随着施肥年限的增加，热带季风区的水稻肥料贡献率呈现出前期（前15 a）缓慢增加，后期（15—30 a）快速增加的趋势，而温带和亚热带季风区的水稻肥料贡献率则呈现出前期（前15 a）逐渐增加，后期（15—30 a）逐渐降低或稳定的趋势。

图3 不同气候条件下肥料贡献率年际变化Fig.3 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different climate conditions

进一步结合双直线拟合方程（表 3）显示，热带季风区前 16.2 a的水稻肥料贡献率年均增幅为0.52%，而在16.2 a后的年均增幅为0.82%。温带和亚热带季风区的水稻肥料贡献率分别在15.2和20.5 a达到稳定，对应的水稻肥料贡献率分别为42.06%和 53.21%。根据拟合方程的斜率发现，水稻肥料贡献率在达到稳定之前，温带季风区的水稻肥料贡献率年均增幅（1.02%）明显高于亚热带季风区（0.75%）。

表3 不同气候条件下水稻肥料贡献率（y, %）与施肥时间（x, a）的相关关系Table 3 The relationship between fertilizer contribution rate for rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different climate conditions

2.4 不同土壤质地条件下水稻肥料贡献率年际变化

不同土壤质地下水稻肥料贡献率差异较大（图4），近30年间，黏土、壤土和砂土的水稻肥料贡献率分别为43.25%—64.80%、40.65%—48.46%和26.20% —45.98%，其中年均水稻肥料贡献率大体呈现为黏土＞壤土＞砂土。随着施肥年限的延长，黏土的水稻肥料贡献率表现出前期（前20 a）增加，后期（20—30 a）稳定的趋势，双直线方程表明，黏土的水稻肥料贡献率达到稳定（64.5%）的施肥年限为20.9 a，其在施肥20.9 a 之前的年均增幅为1.33%。而壤土的水稻肥料贡献率呈现前期（前20 a）增加，后期（20—30 a）降低的趋势，双直线方程（表 4）显示，壤土的水稻肥料贡献率在施肥前17.5 a的年均增幅为0.64%，施肥年限大于17.5 a，其年均降幅为0.42%。砂土的水稻肥料贡献率则无明显规律。

图4 不同土壤质地的水稻肥料贡献率年际变化Fig.4 Interannual variation of fertilizer contribution rate for rice under different soil textures

表4 不同土壤质地水稻肥料贡献率（y, %）与施肥时间（x,a）的相关关系Table 4 The relationship between fertilizer contribution rate of rice (y, %) and fertilization time (x, a) under different soil textures

2.5 不同因素对水稻肥料贡献率的影响程度

肥料种类、气象因子和土壤理化指标等因素均对水稻肥料贡献率的变化产生影响（图 5）。在所有因子中，氮肥和磷肥的相对重要性较高，其次为无霜期、年平均降雨量和年平均温度，钾肥的贡献明显低于氮肥和磷肥。在气象因子中，无霜期、年平均降雨量和年平均温度因素的重要程度明显大于日照时数。在土壤理化指标中，有机质含量的相对重要性最高，其次为有效磷、pH，速效钾和全氮相对重要性均较低。

图5 不同因素对水稻肥料贡献率的重要性Fig.5 Relative variable importance ranking of different factors for the fertilizer contribution rate for rice

3 讨论

3.1 全国水稻肥料贡献率的阶段性变化

在水稻生产中，除了作物品种、温光资源和立地条件之外，氮、磷、钾肥料在促进水稻生长和提高产量方面也发挥了重要作用[17]。本研究表明，近 30年来，在施肥区和不施肥区水稻品种和栽培技术相同的情况下，全国尺度上氮、磷、钾肥对水稻产量的贡献率维持在41.20%—51.89%，但是，随着施肥年限增加，肥料贡献率则呈现出前期（施肥前20年）增加（年均增幅为0.69%），后期（施肥20年之后）稳定的趋势。这与前人的研究结果相似[8,11]。龚斌磊[18]研究表明，1990—2010年，化肥一直是我国农业增速的主要贡献因子之一。原因首先与我国自改革开放以来大力推广化肥施用有关，但从2015年开始，面对过度的化肥用量增产，农业主管部门开始积极实施化肥“零增长”行动，而各地陆续开展的化肥减施增效行动在减少化肥资源浪费的同时有效维持了化肥对水稻产量的贡献水平。其次，随着秸秆还田、测土配方和绿肥种植的大力推广，全国稻田的土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾等肥力指标的持续提升[19-23]，李建军等[24]研究也表明，1988—2012年间，全国稻作区土壤基础地力总体呈上升趋势，这也导致水稻高产对肥料用量的依存度[25]有所降低。然而，基于全国耕地质量监测平台进行的长期不施肥处理由于持续处于地力耗竭状态[25]，可能导致本研究计算的水稻肥料贡献率存在高估的现象。因此，如何结合模型模拟等方法进一步精准评估水稻肥料贡献率仍是未来研究的重点方向之一。此外，需要注意的是，本文数据主要来自全国稻作区338个耕地质量监测点位。由耕地质量监测点位反映的水稻肥料贡献率时空变化，能否代表大面积水稻生产尤其是高产稻田的肥料贡献率时空变化，有待进一步研究。

3.2 不同稻作模式、区域、气候和土壤质地对肥料贡献率的影响

受水稻品种、土壤类型和温度光照等环境因素以及施肥、耕作和水分管理等人为因素的影响，全国不同稻作模式、区域的水稻产量差异较大[26-27]，进而直接导致水稻的肥料贡献率在不同稻作模式、区域、气候带和土壤质地等均存在明显差异。双直线拟合方程显示，不同稻作模式、区域、气候和土壤质地条件下，水稻肥料贡献率也大体呈现出前期增加后期稳定的趋势。在1988—2017年间，在施肥区和不施肥区水稻品种和栽培技术相同的条件下，单季稻的年均肥料贡献率（49.52%）明显高于双季稻和水稻-其他作物轮作，且在水稻肥料贡献率达到稳定前，单季稻的肥料贡献率年均增幅（1.05%）也显著高于双季稻和水稻-其他作物轮作，原因可能是单季稻主要分布在东北地区，再加上单季稻的生育期较长，其较高的单产水平对外源肥料的需求较高[28]，但具体原因还应进一步分析。

在不同区域间，水稻的年均肥料贡献率则表现出西南最高（52.48%），其次为东北（46.10%）、长江中游（44.83%）、华北（44.96%）和长江下游（43.49%），华南地区最低（43.12%），原因主要有：西南区域较低的土壤基础地力导致水稻对肥料依赖性较高[29]，而东北黑土开垦为水稻土，土壤有机质逐渐降低也是其水稻肥料贡献率较高的主要原因[30]；同时，长江中游、华北、长江下游和华南地区的土壤肥力在1988—2017年均得到较高提升[20-23]，从而导致其水稻的肥料贡献率明显低于西南和东北地区。不同区域的水稻肥料贡献率在达到稳定之前，东北、华北、西南地区的水稻肥料贡献率年均增幅（1.02%—1.42%）明显高于长江中游、长江下游和华南（0.24%—0.78%）地区，原因可能与不同区域的化肥用量增长速率不同有关[31]。

在不同气候条件下，热带季风区水稻的肥料贡献率（34.57%）明显低于温带和亚热带季风区（45.90%和49.23%）。原因一方面与热带季风区较为充足的温光资源为水稻生产提供了较好的物质条件，从而降低了水稻产量对外源肥料的依存度。另一方面，与热带季风区较高的肥料投入量有关，热带季风区的水稻生产中，高温高湿的条件和较多的降雨量可能导致化肥损失较高，进而导致化肥利用率降低[32]，化肥利用效率下降是我国化肥施用强度增加的主导因素[33]。不同气候条件下，水稻的肥料贡献率在达到稳定之前，温带的水稻肥料贡献率年均增幅（1.02%）明显高于亚热带（0.75%）。这可能是我国南方亚热带稻作区的土壤酸化趋势限制了水稻肥料贡献率的增速[34]。此外，水稻肥料贡献率的变化还受水稻品种和上季作物肥料残效的影响[25]，因此，关于肥料贡献率的时空差异仍需进一步研究。

不同土壤质地类型下，近30年水稻的年均肥料贡献率大体呈现为黏土＞壤土＞砂土。这主要与土壤的质地特性相关[35]，黏土质地的土壤致密，通气性差，导致水稻对肥料的依存度增强；砂土质地土壤较低的水稻肥料贡献率则主要与本研究中质地为砂土的水稻土大部分属于河流冲积物或湖泊沉积物形成，其肥力水平普遍较高有关。进一步研究发现，水稻的肥料贡献率在达到稳定或拐点之前，壤土的水稻肥料贡献率年均增幅（0.64%）明显低于黏土（1.33%）。这可能与初始的土壤性质有关，在质地为黏土的水稻土上，较低的土壤肥力水平在外源肥料投入下，水稻产量可以快速增加[25]。

3.3 影响肥料贡献率时空变化的主要因子

在我国稻作区，由于水稻品种和环境因素的多样性[36-38]，影响水稻肥料贡献率的因子较为复杂。本研究发现，与其他因子相比，氮肥和磷肥对水稻产量的贡献率起到了十分重要的作用，这充分说明了合理施用氮、磷肥的重要意义。在未来的水稻生产中，进一步优化氮、磷肥的品种和施用技术仍是稳定和提高水稻产能的关键措施。同时，无霜期、年平均降雨量和年平均温度等气象因子也是影响水稻肥料贡献率的关键指标，而日照时数对水稻肥料贡献率的影响则较小，这主要与我国水稻种植范围广泛、不同区域的气候条件差异较大有关。韩天富等[26]研究也表明，施肥对水稻产量的提高效应主要受种植区域的调控。在土壤肥力方面，土壤有机质含量对水稻肥料贡献率的影响程度明显高于其他指标，这与前人的研究结果相似[15]，因此，通过秸秆还田、绿肥种植和施用有机肥提升稻作区的土壤有机质含量至关重要。但是，由于秸秆腐解过程复杂[39]、传统的紫云英绿肥种植成本较高[40]、有机肥存在运输成本高和施用量大[41]等缺点，根据区域特色，建议进一步结合腐解菌配施、油菜绿肥和炭基肥等措施，不断推动稻作区土壤有机质增加，从而为稻作区的可持续生产提供技术支撑。

在我国的水稻生产中，西南地区较高的肥料贡献率（55.82%）虽然可以在一定程度上说明肥料对于水稻产量的重要性[11]，但是，需要说明的是，水稻肥料贡献率并不是越高越好，较高的肥料贡献率也反过来说明土壤地力的贡献率较低[24-25]，因此，在我国的水稻生产中，建议水稻肥料贡献率较高的西南地区进一步结合土壤地力提升技术合理调控肥料和地力对水稻产量的贡献；而在水稻肥料贡献率较低的长江中游、华北、东北、华南和长江下游地区（44.25%—46.73%），则要优化肥料施用策略来提高肥料利用率，同时，要兼顾土壤地力稳定，从而实现土壤地力和肥料贡献率的协同提升目标。

4 结论

在施肥区和不施肥区水稻品种和栽培技术相同的条件下，1988—2017年间全国稻作区氮、磷、钾肥对水稻产量的贡献率为41.20%—51.89%，且随着施肥年限增加，水稻肥料贡献率呈现出前20年逐渐增加，近10年稳定的趋势，单季稻的年均水稻肥料贡献率（49.52%）明显高于双季稻和水稻-其他作物轮作。不同地区的水稻肥料贡献率在施肥15—19 a后达到稳定（42.06%—57.68%），其中西南地区最高，而东北最低。在不同气候条件下，温带和亚热带的年均水稻肥料贡献率明显高于热带，不同土壤质地间则表现出黏土的水稻肥料贡献率明显高于壤土和砂土。在所有因子中，氮肥和磷肥是影响水稻肥料贡献率变化的主要因子。同时，土壤有机质含量对水稻肥料贡献率的影响程度明显高于其他土壤肥力指标。因此，综合考虑稻作模式、区域、气候条件和土壤质地等因素，并重点从优化氮、磷肥施用出发，进一步结合土壤有机质水平进行水稻肥料贡献率的评估对于指导水稻可持续丰产具有重要意义。